DE4337418C2 - Verfahren zur Herstellung eines Biosensorelementes in Silizium-Technologie in einem Full-Wafer-Prozeß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Biosensorelementes in einem Full-Wafer-Prozeß. Diese Sensorelemente dienen zur selektiven Messung von Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten und können nach dem amperometrischen oder dem potentiometrischen Meßprinzip arbeiten. Dabei zeichnen sie sich durch eine massenproduktionstaugliche "full-wafer"-Verkap­ selung aus.

Es ist bekannt, daß Glukosesensoren mit immobilisier­ tem Enzym GOD auf einer Edelmetallelektrode nach dem Prinzip der Wasserstoffperoxiddetektion arbeiten (vgl. Scheller, Schubert: "Biosensoren", Birkhäuser, Basel; Boston; Berlin; 1989).

Aus der DE 41 15 414 A1 ist es bekannt, daß Chemo- und Biosensorelemente in Siliziumtechnologie auf der Grundlage von Containmentstrukturen hergestellt wer­ den können. Dabei werden in einem Siliziumsubstrat mit Hilfe anisotroper Ätzverfahren Hohlräume einge­ bracht, die auf einer der Oberflächen des Substrates eine große und auf der anderen eine kleine Öffnung besitzen. Das Siliziumsubstrat wird hierbei auch mit einer isolierenden Schicht überzogen. Auf einer Ober­ fläche, die später einen Teil der Innenseite des Con­ tainments bildet, wird auch ein Metallkontakt aufge­ bracht. Nachteilig hierbei ist aber, daß separate Verkapselungsmaßnahmen notwendig sind.

Aus der DE 41 31 927 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Biosensorelementes in Silizium­ technologie bekannt. Ein weiteres Element ist in der US 4 592 824 beschrieben.

In der DE 42 28 344 A1 wird zur Durchführung mikroli­ thographischer Strukturierungsverfahren auf dreidi­ mensionalen Oberflächen das Ionensprayverfahren be­ schrieben, mit dessen Hilfe ein homogener Fotolack­ auftrag möglich ist.

Zur Abdeckung von Siliziumstrukturen ist das Aufbrin­ gen von Glasdeckeln mit Hilfe des "Anodischen Bon­ dens" bekannt (Wallis, Pommeranz; Field Assisted Glass-Metal Sealing, Journal of Applied Physics, V. 40; Nr. 10, 1969).

Nachteilig an den bekannten Sensorelementen und deren Herstellungsverfahren ist die Art der Verkapselung. Diese wird z. B. unter Verwendung von Polymeren durch­ geführt, die unter Einfluß verschiedener Parameter (z. B. UV-Bestrahlung, Temperatur, Zeit) aushärten.

Die Einbringung der Membran muß nach diesen Verfahren vor der Verkapselung des Sensorelementes erfolgen, wobei mögliche Verfahrenskomplikationen bei der Ver­ wendung austrocknungsempfindlicher Membranmaterialien auftreten.

Der Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Biosensorelementen vor­ zuschlagen, das ohne aufwendige Verkapselungen aus­ kommt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in ein Silizi­ umsubstrat mit Hilfe anisotroper Ätzverfahren Hohl­ räume (Containments) eingebracht werden, die an einer der Oberflächen des Substrates eine große und auf der anderen Oberfläche eine kleine Öffnung besitzen, daß ferner das Siliziumsubstrat mit einer isolierenden Schicht aus SiO₂, Si₃N₄ oder anderen isolierenden Ma­ terialien überzogen wird, daß ferner die großen Öff­ nungen mit Hilfe einer dünnen Platte verschlossen werden, und daß vor der Aufbringung dieser Platte auf einer Oberfläche, die später einen Teil der Innensei­ te des Containments bildet, mindestens ein Metallkon­ takt mit Hilfe mikrolithographischer Verfahren herge­ stellt wird und anschließend die Containments unter Vakuum mit dem sensitiven Membranmaterial gefüllt werden, daß nach der Befüllung durch UV-Bestrahlung oder Temperatureinfluß verfestigt wird.

Das Verschließen der Hohlräume mit Hilfe einer dünnen Platte kann dadurch erreicht werden, indem eine dünne Glasplatte mit Hilfe des "Anodischen Bondens" aufge­ bracht wird. Ebenso ist es möglich, die Hohlräume mit Hilfe einer Kunststoff-Folie zu verschließen. Hierfür können Trockenresist-Materialien verwendet werden, die auf das Siliziumsubstrat auflaminiert werden.

Die Herstellung der Metallkontakte kann auf dem Si­ liziumsubstrat so erfolgen, daß sich die aktiven Kon­ taktflächen auf den geneigten Innenflächen des Con­ tainments befinden. Ebenso ist es möglich, diese Kon­ takte auf der Seite des Glasdeckels oder der Kunst­ stoff-Folie oder des Trockenresistes herzustellen, die nach dem Anodischen Aufbonden oder Auflaminieren eine Innenseite des Containments bildet.

Für die Herstellung der sensitiven Membran und die Immobilisierung der Biokomponente (z. B. des Enzyms) können alle hierfür gängigen Materialien (z. B. Gela­ tine, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polyvinyl­ pyrrolidon, Polyurethan, Polyacrylamid, Cellulosetri­ acetat, Kollagen u. a.) eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft an diesen Sensorelementen sowie dem Verfahren ihrer Herstellung ist, daß die Verkap­ selung vor der Befüllung der Containments mit dem Membranmaterial in einem "full-wafer"-Prozeß ganzflä­ chig erfolgt und die Membraneinbringung verfahrens­ technisch und zeitlich unabhängig von der Chip-Her­ stellung durchgeführt werden kann. Die verwendeten technologischen Verfahren sind automatisierbar und gewährleisten eine massenproduktionstaugliche Her­ stellung von Sensorelementen mit weitestgehend glei­ chen Eigenschaften.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung wird anhand folgender Ausführungsbeispiele dargestellt.

Im ersten Ausführungsbeispiel wird ein Glukosesensor beschrieben, der nach dem amperometrischen Meßprinzip arbeitet und zunächst in Fig. 1 im Schnitt darge­ stellt ist. Ausgangsmaterial bei der Herstellung ist ein z. B. 300 µm dicker monokristalliner Siliziumwafer 1 mit (100)-Kristallorientierung. Im ersten Herstel­ lungsschritt wird durch thermische Oxidation bei ei­ ner Temperatur von 1200°C eine 1,5 µm Siliziumoxid­ schicht aufgebracht. Mit Hilfe fotolithographischer Verfahren und anschließender Ammoniumfluoridätzung wird das SiO₂ entsprechend dem entworfenen Contain­ mentlayout strukturiert.

Für die Strukturierung der Containments in Pyramiden­ stumpfform wird ein anisotropes Ätzverfahren ange­ wandt, bei dem die [111]-Kristallebenen des Siliziums ätzbegrenzend wirken (vgl. A. Heuberger: "Mikromecha­ nik", Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1989, S. 127ff). Bei Anwendung 20%iger KOH-Lösung ist die höchste Siliziumätzrate gegeben. Mit gegebener Lö­ sungskonzentration und einer Ätzbadtemperatur von 80°C liegt bei (100)-Silizium die Ätzrate bei ca. 86,3 µm/h, die Ätzrate für Siliziumdioxid liegt bei ca. 267 nm/h. Damit bestimmt sich die mindestens be­ nötigte Maskierschicht (für ein maximale Waferdicke bzw. Ätztiefe von 400 µm) auf 1,24 µm. Für zusätzli­ che Sicherheit ist sie bei der thermischen Oxidation mit einer Dicke von 1,5 µm hergestellt worden.

Bedingung für eine exakte Übereinstimmung von Layout­ berechnung und Ergebnis ist eine genaue Justierung der erzeugten Öffnungen der SiO₂-Maskierschicht be­ züglich der <110<-Richtung. Anderenfalls wird die Oxidschicht unterätzt und im Ergebnis erhält man grö­ ßere Öffnungen der Containments als vom Layout vor­ gegeben. Nach einer Ätzdauer von ca. 6 h ist der Wa­ fer mit den Containmentstrukturen versehen und kann für den nächsten Prozeßschritt vorbereitet werden, indem die im Ätzprozeß angegriffene Siliziumdioxid­ schicht des Wafers mit Flußsäure entfernt werden. Um eine gleichmäßige Isolierungsschicht 2 gegenüber dem nachfolgend aufzubringenden Elektrodenmaterial von 150 nm zu erhalten, wird der mit Containments struk­ turierte Wafer erneut oxidiert.

Ähnlich den vorherigen Technologieschritten ist bei Anwendung der nachfolgend angewandten Lift-Off-Tech­ nik die Strukturierung der aufzubringenden Chrom-Pla­ tinschicht (Chrom dient nur als Haftvermittler) auf­ grund der hohen Ätzresistenz von Platin nur mit Hilfe einer Maskierschicht erreichbar. Dieses Verfahren soll hier zunächst nur kurz erläutert werden:
Eine auf den Wafer aufgebrachte Oberflächenmetalli­ sierung aus Aluminium wird über bekannte fotolitho­ graphische Verfahren entsprechend dem Metallisie­ rungslayout strukturiert. Anschließend wird über die­ se Maskierschicht zunächst eine Chrom- und dann eine Platinschicht aufgetragen. Im nächsten Schritt wird die Maskierschicht entfernt (Lift-Off), so daß einzig die Platinschicht mit der darunterliegenden Chrom­ schicht (in der Fig. 1 nicht mit dargestellt) ent­ sprechend dem Layout auf der Waferoberfläche zurück­ bleibt.

Diese Technik ist nachfolgend detailliert beschrieben:
Im ersten Prozeßschritt der Lift-Off-Technik wird der Wafer mit einer 1 µm starken Aluminiumschicht verse­ hen, wobei die Metallisierung über bekannte PVD-Ver­ fahren erfolgt.

Ein Lackauftrag nach dem "Spin-On"-Verfahren führt auf dreidimensional strukturierten Oberflächen zu keiner homogenen Lackschicht. Eine sichere Methode zur homogenen Belackung bietet das Ionensprayverfah­ ren (vgl. DE A1 42 28 344). Diese Technik nutzt eine elektrohydrodynamische Ionenquelle mit einer Ionen­ optik zum Versprühen des Fotoresists.

Im folgenden Fotolithographieprozeß wird das Alumini­ um gemäß der Metallisierungsmaske mit Hilfe bekannter Ätztechniken strukturiert. Die freigelegten Alumini­ umflächen werden im nächstfolgenden Prozeßschritt mit Phosphorsäure entfernt. Der gesamte Wafer erhält nun eine Chrom-Platinschicht. Nach dem Lift-Off der Alu­ miniummaskierschicht mit einer Natriumhydroxid-Lösung verbleibt die Cr/Pt-Schicht lediglich auf den vorher freigelegten SiO₂-Flächen.

Die Verkapselung des Sensorelementes mit einer Glas­ platte 4 (z. B. Pyrexglas) wird unter Einsatz des ano­ dischen Bondens bei einer Temperatur von 500°C und einer Spannung von 300 V durchgeführt. Dabei werden für die genutzte Verbindung von Silizium und Pyrex­ glas beide Oberflächen durch elektrostatische Kräfte, hervorgerufen durch Migration von Natrium-Ionen im Glas bei erhöhten Temperaturen und angelegter elek­ trischer Gleichspannung chemisch gebunden (vgl. Bütt­ genbach: "Mikromechanik", Teubner; Stuttgart 1991, S. 135).

Nach Zersägen des Siliziumwafers oder nach Ritzen und Brechen erhält man die einzelnen Sensorelemente für den Einschluß der Biokomponente.

In diesem Ausführungsbeispiel ist für die Herstellung eines Glukosesensors als Immobilisierungsmaterial Gelatine eingesetzt worden.

Das in amperometrischen Glukosesensoren vielfach ein­ gesetzte Enzym Glukoseoxidase (GOD) wird nachfolgend in gewünschter Konzentration der noch flüssigen Gela­ tine zugegeben.

In Fig. 2 ist ein Sensorelement nach Fig. 1 darge­ stellt, dessen Containment mit Gelatine 6 gefüllt ist, die das immobilisierte Enzym GOD enthält. Das Befüllungsverfahren wird weiter unten beschrieben.

Die Gelatineoberfläche im kleinen Fenster 5 des Con­ tainments bildet später die aktive Sensoroberfläche.

Fig. 3 zeigt das Sensorelement nach Fig. 2 vollstän­ dig. In Fig. 3a ist die Draufsicht durch den aufge­ bondeten Glasdeckel hindurch, in Fig. 3b der Schnitt und in Fig. 3c die Ansicht von der Unterseite darge­ stellt.

Der Platinfilm 3 der im Containment 9 die Arbeits­ elektrode zur H₂O₂-Detektion bildet, verläuft als dünne strukturierte Leiterbahn 8 unter dem aufgebon­ deten Glasdeckel 4 bis zu einer zweiten Öffnung 7 (Kontaktöffnung) im Siliziumsubstrat. In dieser Kon­ taktöffnung 7 kann der Platinfilm z. B. durch Anlöten oder Kleben mit Leitsilber mit einem Anschlußdräht­ chen verbunden werden.

Die Befüllung des Containments erfolgt wie in Fig. 4 dargestellt.

Das Sensorelement 10 wird mindestens bis zur Höhe des zu befüllenden Containments in die mit GOD versetzte flüssige Gelatine 12 getaucht (in der Fig. 4 ist die kleine Containmentöffnung 5 dargestellt). Wird nun oberhalb der flüssigen Gelatine ein Vakuum erzeugt, so tritt die im Containment befindliche Luft durch die kleine Öffnung 5 heraus und das Containment füllt sich mit der Gelatine und dem Enzym. Das Sensorele­ ment wird aus der flüssigen Gelatine entnommen. Nach dem Verfestigen der Gelatine im Containment ist die Herstellung des Sensorelementes abgeschlossen.

Die Bestimmung von Glukosekonzentrationen in flüssi­ gen Meßmedien kann mit diesem Mikrosensorelement in gleicher Weise erfolgen, wie sie für konventionelle Sensorelemente bekannt ist (vgl. Scheller a.a.O). Wird das Sensorelement mit der kleinen Containment­ öffnung in ein Meßmedium getaucht, in dem sich eine Referenzelektrode (z. B. im einfachsten Fall ein chlo­ ridisierter Silberdraht) befindet und wird ferner zwischen dem Anschlußpunkt 7 (vgl. Fig. 3 und der Referenzelektrode eine elektrische Spannung von 600 mV bis 700 mV angelegt, so kann im elektrischen Stromkreis ein Strom gemessen werden, der proportio­ nal zur Glukosekonzentration in der Meßlösung ist.

Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die Referenzelek­ trode gemeinsam mit der Arbeitselektrode auf einem Chip integriert. Dies ist in der Fig. 5 in der Drauf­ sicht dargestellt. Das Sensorelement, bestehend aus Containment 9′, Leiterbahn 8′ und Kontaktöffnung 7′, entspricht der Darstellung in Fig. 3a.

Zusätzlich wurde auf diesem Chip ein zweites Contain­ ment 15 mit einer Leiterbahn 14 sowie einer Kontakt­ öffnung 13 integriert. Die Metallschicht dieser zu­ sätzlichen Struktur besteht hier nicht aus Platin, sondern aus Silber, das im Bereich des Containments 15 z. B. elektrolytisch chloridisiert ist. Das Con­ tainment 9′ wird, wie im ersten Ausführungsbeispiel, z. B. mit Gelatine (mit immobilisierter GOD) befüllt. Das Containment 15 kann ohne Befüllung bleiben. Im Meßbetrieb füllt es sich mit dem Meßmedium. Ebenso kann das Containment 15 mit dem gleichen Material (mit oder ohne Biokomponente) befüllt werden wie das Containment 9′.

Die Messung mit Hilfe dieses Sensorelementes erfolgt so, daß nach Eintauchen der Containments 9′ und 15 in die Meßlösung eine elektrische Spannung (600 mV bis 700 mV) zwischen den Metallisierungsschichten in den Kontaktöffnungen 7′ bzw. 13 angelegt und der elektri­ sche Strom gemessen wird.

Es ist aber auch möglich, die Edelmetall-Arbeitselek­ trode und die Referenzelektrode in einem Containment zu integrieren. Dies ist im Ausführungsbeispiel 3 beschrieben und in Fig. 6 in der Draufsicht (durch den Glasdeckel hindurch) dargestellt. Hier befinden sich die Edelmetallarbeitselektrode 24 z. B. aus Pla­ tin oder Gold gemeinsam mit der Referenzelektrode 21 z. B. aus chloridisiertem Silber in dem Containment, das auch das Membranmaterial mit der immobilisierten Biokomponente enthält. Die Elektroden des Contain­ ments sind über Leiterbahnen 23 bzw. 20 mit den Kon­ taktöffnungen 22 bzw. 19 verbunden.

Alle in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dar­ gestellten Strukturen lassen sich auch so realisie­ ren, daß die Metallfilme nicht an der Oberfläche des Siliziumsubstrates, sondern vor dem Aufbonden an der Oberfläche des Glasdeckels erzeugt werden. Im vierten Ausführungsbeispiel ist gezeigt, wie eine Struktur nach Fig. 3b so abgewandelt wird, daß sich der Edel­ metallfilm an der inneren Oberfläche des aufgebonde­ ten Glasdeckels 4 befindet und im Containment mit dem Membranmaterial 6 die Arbeitselektrode 25 und in der Kontaktöffnung den Anschlußkontakt 26 bildet. Dazwi­ schen befindet sich die Leiterbahn.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Biosensorelemen­ tes in Silizium-Technologie in einem Full-Wafer- Prozeß mit folgenden Merkmalen:

• a) Einbringen eines Containments in Form einer von der Vorderseite ausgehenden und sich zur Rückseite verjüngenden Öffnung in ein dünnes Siliziumsubstrat,
• b) Aufbringen einer Schutzschicht wenigstens im Bereich der Öffnungen des Containments,
• c) Aufbringen mindestens eines Metallkontaktes als Arbeitselektrode mit Hilfe mikrolitho­ graphischer Verfahren ausgehend von dem Innenbereich des Containments bis zu einer auf dem Si-Substrat zusätzlich eingebrach­ ten Kontaktöffnung,
• d) Verschließen der vorderseitigen Öffnung und der Kontaktöffnung mit Hilfe einer dünnen Platte,
• e) Befüllen des Containments unter Vakuum mit dem sensitiven Membranmaterial und Verfe­ stigung unter UV-Bestrahlung und/oder Tem­ peratureinfluß.

2. Verfahren zur Herstellung eines Biosensorele­ ments in Silizium-Technologie in einem Full-Wa­ fer-Prozeß mit folgenden Merkmalen:

• a) Einbringen eines Containments in Form einer von der Vorderseite ausgehenden und sich zur Rückseite verjüngenden Öffnung in ein dünnes Siliziumsubstrat,
• b) Aufbringen einer Schutzschicht wenigstens im Bereich der Öffnungen des Containments,
• c) Einbringen einer zusätzlichen Kontaktöff­ nung im Si-Substrat,
• d) Aufbringen einer dünnen Platte auf die vor­ derseitige Öffnung des Containments und die Kontaktöffnung, wobei die dünne Platte mit einem Metallkontakt versehen ist, so daß das Containment und die Kontaktöffnung durch den Metallkontakt verbunden werden,
• e) Befüllen des Containments unter Vakuum mit dem sensitiven Membranmaterial und Verfe­ stigung unter UV-Bestrahlung und/oder Tem­ peratureinfluß.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen mit einer dünnen, anodisch gebondeten Glasplatte oder einem auflaminierten Trockenresist verschlossen werden.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Si-Wafer neben dem Biosensorelement eine Referenzelektro­ de analog dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Si-Substrat das Biosensorelement und die Referenzelektrode in einem Containment integriert werden.